(57)【要約】【課題】  周囲温度などの使用環境条件の幅が広い場合に所望の冷却性能を確保することのできるヒートパイプ式冷却器を提供する。【解決手段】  ヒートパイプ式冷却器１は、それぞれ内部に冷媒を封入した複数本のヒートパイプ３ａ，３ｂを受熱ブロック２に取り付けて構成されている。複数本のヒートパイプ３ａ，３ｂは、純水と不凍液のような作動領域の異なる冷媒を封入した二種類のヒートパイプ３ａ，３ｂにより構成されている。これら二種類のヒートパイプ３ａ，３ｂを並置方向に交互に配置するか、または、二種類のヒートパイプ３ａ，３ｂを相互に密着させた組を複数組作り、各組同士の間隔をおいて配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ内部に冷媒を封入した３本以上のヒートパイプを受熱ブロックに取り付けてなるヒートパイプ式冷却器において、前記ヒートパイプを、作動領域の異なる冷媒を封入した二種類のヒートパイプにより構成し、これら二種類のヒートパイプを並置方向に交互に配置したことを特徴とするヒートパイプ式冷却器。
【請求項２】
それぞれ内部に冷媒を封入した４本以上のヒートパイプを受熱ブロックに取り付けてなるヒートパイプ式冷却器において、前記ヒートパイプを、作動領域の異なる冷媒を封入した二種類のヒートパイプにより構成し、これら二種類のヒートパイプを相互に密着させた組を複数組作り、各組同士の間隔をおいて配置したことを特徴とするヒートパイプ式冷却器。
【請求項３】
前記ヒートパイプを、純水のみの冷媒を封入したヒートパイプと不凍液入り冷媒を封入したヒートパイプの二種類の組み合わせにより構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ式冷却器。
【請求項４】
それぞれ内部に冷媒を封入した４本以上のヒートパイプを受熱ブロックに取り付けてなるヒートパイプ式冷却器において、前記ヒートパイプを、作動領域の異なる冷媒を封入した複数種類のヒートパイプにより構成し、冷媒の異なる複数種類のヒートパイプを冷媒の異なる種類毎に分離し、それぞれの種類毎に分離した放熱フィンを設けたことを特徴とするヒートパイプ式冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子などの機器を冷却するヒートパイプ式冷却器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置では、半導体素子の大容量化、高速化に伴い発熱損失の増大が問題となっている。このため電力用半導体素子用冷却器の冷却効率の向上を図り、発熱損失の増大に対応して装置の大型化を避けることが重要な課題となっている。電力変換装置における電力用半導体素子としては、ダイオード、サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等が用いられ、その冷却器としてはヒートパイプ式冷却器が使用されている。
【０００３】
ヒートパイプ式冷却器は、直方体形状の受熱ブロックと、この受熱ブロックに取り付けられ、それぞれ受熱部および放熱部を有し、放熱部には多数の放熱フィンが取り付けられた複数本のヒートパイプとを備えている。ヒートパイプは、その内部に封入される冷媒（熱移送媒体）として、例えば特許文献１に記載されているように、一般に純水が使用されている。冷媒に純水を使用している理由は、熱伝達特性や熱容量などの特性が半導体素子の冷却に適してことから、ヒートパイプ式冷却器の小型化を図ることができるとともに環境汚染の問題も生じることがないからである。
【特許文献１】特開２００３−１４８８８３号公報
【特許文献２】特開平５−２４８７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、冷媒として純水を封入したヒートパイプを使用したヒートパイプ式冷却器においては、周囲温度などの使用環境条件の幅が広い場合には、氷点下で使用される場合があり、０℃以下になると冷媒である純水が凍結する。純水が凍結した場合、冷媒としての機能が喪失するためにヒートパイプ式冷却器は、受熱ブロックの時定数だけで得られる冷却効果となり、冷却性能が大きく低下することになる。このため半導体素子の発生する熱量によっては、ヒートパイプ式冷却器の許容接合温度を逸脱し、最悪の場合には破損を生じる恐れがあった。
【０００５】
一方、アンモニアなどの不凍液を封入したヒートパイプを使用することも考えられるが、このような冷媒を封入したヒートパイプを用いてヒートパイプ式冷却器を構成すると、凍結していない状態での冷却性能が純水入りヒートパイプのみで構成したヒートパイプ式冷却器に比べて冷却性能の劣るものとなる。
【０００６】
このような冷媒の凍結を考慮したときの使用環境温度範囲を拡大するための技術として、特許文献２には、二種類の冷媒を用いた複合ヒートパイプが開示されている。しかし、ここに開示されているのは２本のヒートパイプを平行に並べた例だけであって、３本以上のヒートパイプをどのように並べたらよいかについては開示がない。
【０００７】
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、３本以上のヒートパイプを用いて、周囲温度などの使用環境条件の幅が広い場合においても、冷媒が機能的に作動して所望の冷却性能を確保することのできるヒートパイプ式冷却器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明は、それぞれ内部に冷媒を封入した３本以上のヒートパイプを受熱ブロックに取り付けてなるヒートパイプ式冷却器において、前記ヒートパイプを、作動領域の異なる冷媒を封入した二種類のヒートパイプにより構成し、これら二種類のヒートパイプを並置方向に交互に配置したことを特徴とする。
【０００９】
また、他の態様では、本発明は、それぞれ内部に冷媒を封入した４本以上のヒートパイプを受熱ブロックに取り付けてなるヒートパイプ式冷却器において、前記ヒートパイプを、作動領域の異なる冷媒を封入した二種類のヒートパイプにより構成し、これら二種類のヒートパイプを相互に密着させた組を複数組作り、各組同士の間隔をおいて配置したことを特徴とする。
【００１０】
さらに他の態様では、本発明は、それぞれ内部に冷媒を封入した４本以上のヒートパイプを受熱ブロックに取り付けてなるヒートパイプ式冷却器において、前記ヒートパイプを、作動領域の異なる冷媒を封入した複数種類のヒートパイプにより構成し、冷媒の異なる複数種類のヒートパイプを冷媒の異なる種類毎に分離し、それぞれの種類毎に分離した放熱フィンを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のヒートパイプ式冷却器によれば、ヒートパイプ冷却器全体の作動温度領域が広く、周囲温度が大きく変動しても、その温度変化に対応して冷媒が機能的に作動し、所望の冷却性能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のヒートパイプ式冷却器における第１の実施の形態を示す正面図および側面図である。図１において、ヒートパイプ式冷却器１は、直方体形状の受熱ブロック２と、この受熱ブロック２に取り付けられた８本のヒートパイプ３ａ，３ｂを備えている。ヒートパイプ３ａ，３ｂは、アルミニウムや銅等の熱伝導性の良好な材料で形成した金属管の内部に熱移送媒体としての冷媒を封入して構成したもので、半導体素子が発生した熱を、受熱ブロック２を介して受熱部で吸収し、内部の冷媒を蒸発させて放熱部に移送し、放熱部を介して外部に放出するものである。またヒートパイプ３ａ，３ｂの放熱部には、それぞれヒートパイプ３ａ，３ｂと直交する方向に、熱伝導性の良好な材料で形成した多数の放熱フィン４が取り付けられている。
【００１３】
ここで、本実施の形態においては、二列に配設した計８本のヒートパイプ３ａ，３ｂのうち、並置方向の両端角部に位置する２本ずつ計４本のヒートパイプ３ａについては、その内部に純水（作動領域３０℃〜２００℃）を冷媒として封入して構成したものであり、他方、並置方向の中間部に位置する計４本のヒートパイプ３ｂについては、その内部に不凍液であるアンモニア（作動領域−６０℃〜１００℃）を冷媒として封入して構成したものである。
【００１４】
このように構成したヒートパイプ式冷却器１によれば、周囲温度が氷点下に至らないような温度の場合には、冷却効率の良い純水入りヒートパイプ３ａと、純水入りヒートパイプ３ａよりも冷却能力が劣る不凍液入りヒートパイプ３ｂとの両方が作動して冷却が行なわれる。また、周囲温度が氷点下になり、純水が凍結する温度になったときには、不凍液入りヒートパイプ３ｂのみが作動して冷却が行われることになる。したがってヒートパイプ式冷却器１の作動領域が広がり、純水が凍結する周囲温度になったときでも冷却機能が完全に失われることがなくなる。
【００１５】
図２は、本発明のヒートパイプ式冷却器における第２の実施の形態を示す上面図である。本実施の形態が上記第１の実施の形態と異なる点は、純水入りヒートパイプ３ａと不凍液入りヒートパイプ３ｂを並置方向に２本ずつ交互に配置したところにある。本実施の形態によれば、受熱ブロックに対する８本のヒートパイプ３ａ，３ｂの冷却能力が平準化され、受熱ブロックを幅広く均一に冷却することができる。
【００１６】
図３は、本発明のヒートパイプ式冷却器における第３の実施の形態を示す上面図である。本実施の形態が上記第１の実施の形態と異なる点は、純水入りヒートパイプ３ａと不凍液入りヒートパイプ３ｂを密着させて配置したところにある。本実施の形態によれば、純水入りヒートパイプ３ａの純水が凍結する周囲温度になっても、作動している不凍液入りヒートパイプ３ｂの熱が純水入りヒートパイプ３ａに伝導して内部の純水を暖めるように作用するので、純水の凍結を回避して純水入りヒートパイプ３ｂの冷却機能を確保することができる。
【００１７】
図４は、本発明のヒートパイプ式冷却器における第４の実施の形態を示す正面図および側面図である。本実施の形態が上記第１の実施の形態と異なる点は、純水入りヒートパイプ３ａと不凍液入りヒートパイプ３ｂを並置方向に二群に分けて配置し、各群のヒートパイプ３ａ，３ｂにそれぞれ分離した放熱フィン４ａ，４ｂを個別に取り付けたところにある。
【００１８】
本実施の形態によれば、冷却特性の異なるヒートパイプ３ａ，３ｂ毎に最適化された放熱フィン４ａ，４ｂを取り付けることが可能となり、ヒートパイプ式冷却器の小型化を図ることができる。
【００１９】
図５は本発明のヒートパイプ式冷却器における第５の実施の形態を示す正面図および側面図である。本実施の形態が上記第４の実施の形態と異なる点は、純水入りヒートパイプ３ａと不凍液入りヒートパイプ３ｂを二列に分けて配置し、各列のヒートパイプ３ａ，３ｂにそれぞれ放熱フィン４ａ，４ｂを個別に取り付けたところにある。本実施の形態においても第４の実施の形態と同様に、冷却特性の異なるヒートパイプ３ａ，３ｂ毎に最適化された放熱フィン４ａ，４ｂを取り付けることが可能となり、ヒートパイプ式冷却器の小型化を図ることができる。
【００２０】
なお、上記各実施の形態では、８本のヒートパイプを用いた場合について説明したが、２本以上のヒートパイプを用いた場合であれば、同様に実施できるものである。また不凍液としてアンモニアを例にとり説明したが、エチレングリコールやアルコールなどの他の不凍液を使用することもできる。さらに不凍液単独を冷媒として用いる場合に限らず、純水に混入した水溶液を使用することもできる。また純水入りヒートパイプと不凍液入りヒートパイプの本数を同数で構成した場合について説明したが、使用環境条件によっては、異なる本数で構成することができる。さらに複数本のヒートパイプにおける作動領域の異なる冷媒として、純水と不凍液の組み合わせに限らず、純水以外の作動領域の異なる二種類以上の冷媒を組み合わせて使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のヒートパイプ式冷却器における第１の実施の形態を示す正面図および側面図である。
【図２】本発明のヒートパイプ式冷却器における第２の実施の形態を示す上面図である。
【図３】本発明のヒートパイプ式冷却器における第３の実施の形態を示す上面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のヒートパイプ式冷却器における第４の実施の形態を示す正面図および側面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のヒートパイプ式冷却器における第５の実施の形態を示す正面図および側面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１…ヒートパイプ式冷却器
２…受熱ブロック
３ａ，３ｂ…ヒートパイプ
４ａ，４ｂ…放熱フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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